(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の表裏両面に、電解質膜外縁部が露出するように設けられた電極と、
前記電解質膜外縁部に配置するように前記電解質膜の表裏両面に設けられ、前記電解質膜よりも弾性率が高く、熱膨張率が前記電解質膜の熱膨張率よりも小さい第１補強材と、
前記第１補強材の表面に設けられ、その第１補強材よりも弾性率の高い第２補強材と、
前記第２補強材の表面に設けられるガスケットと、
を備え、
前記第１補強材が、樹脂系材料で形成される場合はポリフッ化ビニリデンで形成され、ゴム系材料で形成される場合はシリコーン系材料、フッ素系材料又はエチレン・ポリプレン・ジエンゴム系ゴム材料のいずれかで形成され、粘着剤・接着剤系材料で形成される場合はシリコーン系材料又はオレフィン系材料のいずれかで形成され、
前記第２補強材が、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフレート又はポリテトラフルオロエチレンで形成され、
前記電極は、前記電解質膜と接する電極層と、その電極層の背面に形成されたガス拡散層と、を有し、
前記第１補強材を、前記電解質膜と、前記ガス拡散層と、の間に介在させ、
アノード側の第１補強材と前記電解質膜との接触面積は、カソード側の第１補強材と前記電解質膜との接触面積よりも小さい、
ことを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
【請求項２】
電解質膜と、
前記電解質膜の表裏両面に、電解質膜外縁部が露出するように設けられた電極と、
前記電解質膜外縁部に配置するように前記電解質膜の表裏両面に設けられ、前記電解質膜よりも弾性率が高く、熱膨張率が前記電解質膜の熱膨張率よりも小さい第１補強材と、
前記第１補強材の表面に設けられ、その第１補強材よりも弾性率の高い第２補強材と、
前記第２補強材の表面に設けられるガスケットと、
を備え、
前記第１補強材が、樹脂系材料で形成される場合はポリフッ化ビニリデンで形成され、ゴム系材料で形成される場合はシリコーン系材料、フッ素系材料又はエチレン・ポリプレン・ジエンゴム系ゴム材料のいずれかで形成され、粘着剤・接着剤系材料で形成される場合はシリコーン系材料又はオレフィン系材料のいずれかで形成され、
前記第２補強材が、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフレート又はポリテトラフルオロエチレンで形成され、
前記第２補強材が外力を受ける領域において、その第２補強材の厚さは、その第２補強材が外力を受けない領域よりも厚い、
ことを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
【請求項３】
前記第２補強材が外力を受ける領域は、第２補強材と、第２補強材の表面に配置されてガス漏れを防止する前記ガスケットと、が接触する領域である、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用膜電極接合体。
【請求項４】
前記第２補強材が外力を受ける領域において、前記第１補強材の厚さを第２補強材が外力を受けない領域よりも薄くすることで、前記第２補強材が外力を受ける領域における第２補強材の厚さを厚くした、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池用膜電極接合体。
【請求項５】
電解質膜と、
前記電解質膜の表裏両面に、電解質膜外縁部が露出するように設けられた電極と、
前記電解質膜外縁部に配置するように前記電解質膜の表裏両面に設けられ、前記電解質膜よりも弾性率が高く、熱膨張率が前記電解質膜の熱膨張率よりも小さい第１補強材と、
前記第１補強材の表面に設けられ、その第１補強材よりも弾性率の高い第２補強材と、
前記第２補強材の表面に設けられるガスケットと、
を備え、
前記第１補強材が、樹脂系材料で形成される場合はポリフッ化ビニリデンで形成され、ゴム系材料で形成される場合はシリコーン系材料、フッ素系材料又はエチレン・ポリプレン・ジエンゴム系ゴム材料のいずれかで形成され、粘着剤・接着剤系材料で形成される場合はシリコーン系材料又はオレフィン系材料のいずれかで形成され、
前記第２補強材が、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフレート又はポリテトラフルオロエチレンで形成され、
前記第１補強材は、前記電解質膜の外周部を被覆し、前記第２補強材は、前記第１補強材の外周部を被覆する、
ことを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用電解質膜のシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池用電解質膜のシール構造として、電解質膜の外縁部にガス不透過層等で形成されたガスケット層を有するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−３３８９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前述した従来の燃料電池用電解質膜のシール構造では、熱膨張などに起因する電解質膜の伸縮によって、ガス不透過層と電解質膜とが擦れて、電解質膜が劣化するという問題点があった。
【０００４】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、電解質膜の劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００６】
本発明は、電解質膜（１１）と、前記電解質膜（１１）の表裏両面に、電解質膜外縁部が露出するように設けられた電極（１２ａ，１２ｂ）と、前記電解質膜外縁部に配置するように前記電解質膜（１１）の表裏両面に設けられ、前記電解質膜（１１）よりも弾性率が高く、かつ、前記電解質膜（１１）に近い弾性率を有すると共に、熱膨張率が前記電解質膜（１１）の熱膨張率よりも小さい第１補強材（１３ａ，１３ｂ）と、前記第１補強材（１３ａ，１３ｂ）の表面に設けられ、その第１補強材（１３ａ，１３ｂ）よりも弾性率の高い第２補強材（１４ａ，１４ｂ）と、前記第２補強材（１４ａ，１４ｂ）の表面に設けられるガスケット（１６ａ，１６ｂ）と、を備え、第１補強材（１３ａ，１３ｂ）が、樹脂系材料で形成される場合はポリフッ化ビニリデンで形成され、ゴム系材料で形成される場合はシリコーン系材料、フッ素系材料又はエチレン・ポリプレン・ジエンゴム系ゴム材料のいずれかで形成され、粘着剤・接着剤系材料で形成される場合はシリコーン系材料又はオレフィン系材料のいずれかで形成され、第２補強材（１４ａ，１４ｂ）が、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフレート又はポリテトラフルオロエチレンで形成され、前記電極（１２ａ，１２ｂ）は、前記電解質膜（１１）と接する電極層（１２１）と、その電極層（１２１）の背面に形成されたガス拡散層（１２２）と、を有し、前記第１補強材（１３ａ，１３ｂ）を、前記電解質膜（１１）と、前記ガス拡散層（１２２）と、の間に介在させ、アノード側の第１補強材（１３ａ）と前記電解質膜（１１）との接触面積は、カソード側の第１補強材（１３ｂ）と前記電解質膜（１１）との接触面積よりも小さい、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
低弾性率の第１補強材は、電解質膜の伸縮にあわせて伸縮する。そのため、電解質膜と高弾性率の第２補強材との間に、低弾性率の第１補強材を介在させることで、電解質膜の伸縮による電解質膜と第１補強材との摺れを抑制し、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
【００１０】
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１１】
このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１２】
図１は、このような燃料電池システムとして、自動車などの移動車両に用いられる燃料電池スタック１０の斜視図である。
【００１３】
燃料電池スタック１０は、積層された複数の単セル１と、一対の集電板２ａ，２ｂと、一対の絶縁板３ａ，３ｂと、一対のエンドプレート４ａ，４ｂと、図示しない４本のテンションロッドに螺合するナット５とを有する。
【００１４】
単セル１は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。単セル１は、１ボルト程度の起電圧を生じる。単セル１の構成の詳細については、図２を参照して後述する。
【００１５】
一対の集電板２ａ，２ｂは、積層された複数の単セル１の外側にそれぞれ配置される。集電板２ａ，２ｂは、ガス不透過性の導電性部材で形成され、例えば、緻密質カーボンや銅板などによって形成される。集電板２ａ，２ｂは、上辺の一部に出力端子６を備える。燃料電池スタック１０は、出力端子６によって、各単セル１で生じた電子ｅ-を取り出して出力する。
【００１６】
一対の絶縁板３ａ，３ｂは、集電板２ａ，２ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板３ａ，３ｂは、絶縁性の部材で形成され、例えばゴムや樹脂などで形成される。
【００１７】
一対のエンドプレート４ａ，４ｂは、絶縁板３ａ，３ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４ａ，４ｂは、剛性を備える金属性の材料で形成され、例えば鋼などで形成される。
【００１８】
一対のエンドプレート４ａ，４ｂのうち、一方のエンドプレート４ａには、冷却水の入口孔４１ａ及び出口孔４１ｂと、アノードガスの入口孔４２ａ及び出口孔４２ｂと、カソードガスの入口孔４３ａ及び出口孔４３ｂとが形成される。
【００１９】
ここで、アノードガス入口孔４２ａに燃料ガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法がある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。また、カソードガス入口孔４３ａに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用される。
【００２０】
ナット５は、燃料電池スタック１０の内部を貫通する図示しない４本のテンションロッドの両端部に形成された雄ねじ部に螺合する。テンションロッドにナット５を螺合締結することで、燃料電池スタック１０を積層方向に締め付ける。テンションロッドは、剛性を備えた金属材料で形成され、例えば鋼などで形成される。テンションロッドの表面には絶縁処理が施され、単セル１同士の電気短絡を防止している。
【００２１】
以下では、図２を参照して、単セル１の構成の詳細について説明する。
【００２２】
図２は、単セル１の分解斜視図である。
【００２３】
単セル１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１５の表裏両面に、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とが配置されて構成される。
【００２４】
ＭＥＡ１５は、電解質膜１１と、アノード電極１２ａと、カソード電極１２ｂと、一対の第１補強材１３ａ，１３ｂと、一対の第２補強材１４ａ，１４ｂと、を有する。ＭＥＡ１５は、電解質膜１１の一方の面に第１補強材１３ａ、第２補強材１４ａ及びアノード電極１２ａを有し、他方の面に第１補強材１３ｂ、第２補強材１４ｂ及びカソード電極１２ｂを有する。
【００２５】
電解質膜１１は、固体高分子材料（例えばフッ素系樹脂）により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１の外縁部には、アノードガスが流通するアノードガスマニホールド１１１と、カソードガスが流通するカソードガスマニホールド１１２と、冷却水ガスが流通する冷却水マニホールド１１３と、が形成される。電解質膜１１の四隅には、テンションロッドを挿通するための挿通孔１１４が形成される。
【００２６】
電解質膜１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。そのため、電解質膜１１の性能を引き出して発電効率を向上させるためには、電解質膜１１の水分状態を最適に保つ必要がある。そこで、本実施形態では、燃料電池スタック１０に導入するアノードガスやカソードガスを加湿している。なお、電解質膜１１の水分状態を最適に保つための水には純水を用いる必要がある。これは不純物が混入した水を燃料電池スタック１０に導入した場合には電解質膜１１に不純物が蓄積し、発電効率が低下するためである。
【００２７】
アノード電極１２ａ及びカソード電極１２ｂは、電解質膜１１に接するように、それぞれ電解質膜１１の両面に配置される。アノード電極１２ａ及びカソード電極１２ｂは、触媒層１２１及びガス拡散層１２２から構成される。触媒層１２１は、各電極１２ａ，１２ｂの電解質膜側に形成される。ガス拡散層１２２は、各電極１２ａ，１２ｂのセパレータ側に形成される。触媒層１２１は、白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層１２２は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。
【００２８】
一対の第１補強材１３ａ，１３ｂは、アノード電極１２ａ及びカソード電極１２ｂが配置されていない電解質膜１１の外縁部に接するように、それぞれ電解質膜１１の両面に配置される。一対の第１補強材１３ａ，１３ｂは、それぞれ低弾性率部材であって、加湿や乾燥、熱による伸縮が電解質膜１１よりも少ない部材で形成される。ただし、一対の第１補強材１３ａ，１３ｂは、それぞれ電解質膜１１の弾性率よりも高弾性の部材である。一対の第１補強材１３ａ，１３ｂは、それぞれ電解質膜１１の弾性率に近い弾性率を有すことが望ましい。一対の第１補強材１３ａ，１３ｂには、電解質膜１１に形成されたマニホールド１１１，１１２，１１３と挿通孔１１４とに対応するように、同様のマニホールドと挿通孔とが形成される。
【００２９】
なお、低弾性率材料としては、例えば樹脂系ではＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などが挙げられる。ゴム系ではシリコーン系材料やフッ素系ゴム材料、ＥＰＤＭ（エチレン・ポリプレン・ジエンゴム）系ゴム材料などが挙げられる。粘着剤・接着剤系ではシリコーン系材料やオレフィン系材料などが挙げられる。
【００３０】
一対の第２補強材１４ａ，１４ｂは、第１補強材１３ａ，１３ｂに接するように、それぞれ第１補強材１３ａ，１３ｂの両面に配置される。一対の第２補強材１４ａ，１４ｂは、それぞれ高弾性率部材で形成される。一対の第２補強材１４ａ，１４ｂには、電解質膜１１に形成されたマニホールド１１１，１１２，１１３と挿通孔１１４とに対応するように、同様のマニホールドと挿通孔とが形成される。
【００３１】
なお、高弾性率材料としては、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などが挙げられる。
【００３２】
アノードセパレータ２０は、外枠部２０ａと、流路部２０ｂと、を有する。
【００３３】
外枠部２０ａは、ガスケット１６ａを介して第２補強材１４ａと接する。外枠部２０ａには、電解質膜１１に形成されたマニホールド１１１，１１２，１１３と挿通孔１１４とに対応するように、同様のマニホールドと挿通孔とが形成される。
【００３４】
流路部２０ｂは、アノード電極１２ａと接する。流路部２０ｂは、アノード電極１２ａと接する側に、アノード電極１２ａにアノードガスを供給するためのガス流路を有する。また、アノード電極１２ａと接する面の反対面に、発電により暖められた燃料電池スタックを冷却する冷却水が流れる冷却水流路を有する。
【００３５】
カソードセパレータ３０も同様に、外枠部３０ａと、流路部３０ｂと、を有する。
【００３６】
外枠部３０ａは、ガスケット１６ｂを介して第２補強材１４ｂと接する。外枠部３０ａには、電解質膜１１に形成されたマニホールド１１１，１１２，１１３と挿通孔１１４とに対応するように、同様のマニホールドと挿通孔とが形成される。
【００３７】
流路部３０ｂは、カソード電極１２ｂと接する。流路部３０ｂは、カソード電極１２ｂと接する側に、カソード電極１２ｂにカソードガスを供給するためのガス流路を有し、カソード電極１２ｂと接する面の反対面に冷却水流路を有する。
【００３８】
なお、隣接するアノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とに設けられたそれぞれの冷却水流路は、互いに向き合うように形成されており、この冷却水流路によって１つの冷却水流路が形成される。
【００３９】
アノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０は、金属又はカーボンを材料としたセパレータである。
【００４０】
図３は、図２のIII-III線に沿う方向から見た単セル１の断面の一端部を示す図である。
【００４１】
電解質膜１１の外縁部は、マニホールドを流通するガスからの圧力や、ガスケットからの反力を受けるため、劣化しやすい。そのため、電解質膜１１の外縁部は、高剛性であることが必要とされる。電解質膜１１の外縁部の剛性を高める方法としては、電解質膜１１の外縁部に補強材を設け、電解質膜１１の外縁部の機械的強度を高める方法が挙げられる。
【００４２】
ところで、前述したように、電解質膜１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。したがって、燃料電池システムの停止時には乾燥した状態であるが、運転時には加湿された状態となる。また、前述した（１）（２）の電極反応は、発熱反応であるため、運転時には加熱された状態となる。
【００４３】
そのため、電解質膜１１は、加熱・冷却や加湿・乾燥による伸縮を繰り返す。
【００４４】
しかし、このような電解質膜１１の伸縮に対して、高弾性率部材はほとんど伸縮しない。したがって、電解質膜１１の外縁部の機械的強度を高めるために、単純に高弾性率部材のみを電解質膜１１の外縁部の両面に配置すると、電解質膜１１の伸縮によって電解質膜１１と高弾性率部材とが擦れ、電解質膜１１が劣化する。
【００４５】
そこで本実施形態では、図３に示すように、電解質膜１１の外縁部に、その外縁部と接するように低弾性率の第１補強材１３ａ，１３ｂを配置し、さらにその第１補強材１３ａ，１３ｂを覆うように高弾性率の第２補強材１４ａ，１４ｂを配置している。
【００４６】
第１補強材１３ａ，１３ｂは、電解質膜１１に近い弾性率の部材なので、電解質膜１１の伸縮にあわせて伸縮する。したがって、電解質膜１１と高弾性率の第２補強材１４ａ，１４ｂとの間に低弾性率の第１補強材１３ａ，１３ｂを介することで、電解質膜１１の伸縮による電解質膜１１と補強材（第１補強材）との擦れを抑制することができ、電解質膜１１の劣化を抑制することができる。また、電解質膜１１の外縁部に補強材（第１補強材及び第２補強材）を設けたので、電解質膜１１の外縁部の機械的強度を高め、電解質膜１１の劣化を抑制できる。
【００４７】
また、ガス拡散層１２２のエッジ部分が直接電解質膜１１と接触しないように第１補強材１３ａ，１３ｂを配置しているので、ガス拡散層１２２との接触による電解質膜１１の劣化も抑制できる。
【００４８】
以上説明した本実施形態によれば、電解質膜１１の外縁部に、その外縁部と接するように低弾性率の第１補強材１３ａ，１３ｂを配置し、さらにその第１補強材１３ａ，１３ｂを覆うように高弾性率の第２補強材１４ａ，１４ｂを配置した。
【００４９】
これにより、電解質膜１１の伸縮による電解質膜１１と補強材（第１補強材）との擦れを抑制することができ、電解質膜１１の劣化を抑制することができる。また、電解質膜１１の外縁部に補強材（第１補強材及び第２補強材）を設けたので、電解質膜１１の外縁部の機械的強度を高め、電解質膜１１の劣化を抑制できる。
【００５０】
また、第１補強材１３ａ，１３ｂを低弾性率でありながら熱膨張率が小さい部材で構成したので、第１補強材１３ａ，１３ｂと、第２補強材１４ａ，１４ｂと、が擦れて第１補強材１３ａ，１３ｂが劣化するのを抑制できる。
【００５１】
さらに、ガス拡散層１２２のエッジ部分が直接電解質膜１１と接触しないように第１補強材を配置１３ａ，１３ｂした。これにより、ガス拡散層との接触による電解質膜の劣化を抑制できる。
【００５２】
（第２実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態による単セル１の構造について説明する。本実施形態は、ガスケット１６ａ，１６ｂと第２補強材１４ａ，１４ｂとが接触する部分は、第１補強材１３ａ，１３ｂを薄くして第２補強材１４ａ，１４ｂを厚くする点で、第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００５３】
図４は、単セル１の断面の一部を示す図であり、第１実施形態の図３に相当する図である。
【００５４】
本実施形態では、図４に示すように、ガスケット１６ａ，１６ｂと第２補強材１４ａ，１４ｂとが接触する部分は、第１補強材１３ａ，１３ｂを薄くして第２補強材１４ａ，１４ｂを厚くする。
【００５５】
このように、ガスケット１６ａ，１６ｂからの反力を受ける領域において、高弾性率部材で形成された第２補強材１４ａ，１４ｂを厚くすることで、ガスケット１６ａ，１６ｂからの反力による電解質膜１１の変形量を低減することができる。また、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５６】
（第３実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の第３実施形態による単セル１の構造について説明する。本実施形態は、電解質膜１１の外周部を第１補強材１３で覆い、その第１補強材１３の外周部を第２補強材１４で覆う点で、第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００５７】
図５は、単セル１の断面の一部を示す図であり、第１実施形態の図３に相当する図である。
【００５８】
本実施形態では、図５に示すように、電解質膜１１の外周部を第１補強材１３で覆い、その第１補強材の外周部を第２補強材１４で覆う。
【００５９】
このように、マニホールドを流通するガスからの圧力や、ガスケットからの反力を受ける部分を高弾性率の第２補強材１４で形成することで、電解質膜１１の変形量を低減することができる。また、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６０】
（第４実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の第４実施形態による単セル１の構造について説明する。本実施形態は、電解質膜１１と第１補強材１３との接触面積を、電解質膜１１の表裏で異ならせる点で、第３実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００６１】
図６は、単セル１の断面の一部を示す図であり、第１実施形態の図３に相当する図である。
【００６２】
まず発明の理解を容易にするため、従来からの問題点であった固体高分子形燃料電池のアイドル停止（ＯＣＶ；Open Circuit Voltage）時における電解質膜１１の劣化ついて説明する。
【００６３】
本実施形態において、アノードガスとカソードガスとは、ＭＥＡ１５を挟んでそれぞれ平行に対向して流れている。そうすると、ＭＥＡ１５を介してアノードガス流路の上流部と、カソードガス流路の下流部と、が向かい合い、アノードガス流路の下流部と、カソードガス流路の上流部と、が向かい合うことになる。
【００６４】
そのため、ＭＥＡ１５を介して対向して流れるアノードガスとカソードガスとの間に濃度差が生じやすく、電解質膜１１はガスを完全に遮断するものではないので、その濃度差によってはアノード側からカソード側へ向かって水素が透過（溶解拡散）し、カソード側からアノード側へ向かって酸素や窒素が透過する現象が生じる（クロスリーク現象）。
【００６５】
特にＯＣＶ時には、カソード電極１２ｂと電解質膜１１との界面における酸素濃度が、発電時に比べて高くなる。そのため、電解質膜１１を介してカソード側からアノード側へ溶解拡散する酸素量も、発電時に比べて多くなる。
【００６６】
クロスリーク現象によって、酸素がカソード側からアノード側へ移行して、酸素がアノード側で水素と直接反応すると、以下の（３）式の反応が起こって、過酸化水素（Ｈ２Ｏ2）が生成する。また、水素がアノード側からカソード側へ移行して、水素がカソード側で酸素と直接反応した場合も同様にして過酸化水素が生成する。
Ｈ2＋Ｏ2→Ｈ2Ｏ2    …(３)
【００６７】
この過酸化水素は、電解質膜１１又はアノード電極１２ａ若しくはカソード電極１２ｂに含まれる電解質成分（アイオノマー）を分解して、電解質膜１１を化学的に劣化させることが知られている。
【００６８】
ここで、アノード触媒層１２１ａとカソード触媒層１２１ｂの電位と過酸化水素の分解反応との関係を考慮する。
【００６９】
電解質電位に対して電位が比較的高い（０．６〜１ボルト程度）カソード側では、カソード近傍の酸素と、アノード触媒層１２１ａからクロスリークしてきた水素と、が直接反応して発生する過酸化水素水は、以下の（４）式の反応によって、比較的速やかに酸素とプロトンとに分解する。
Ｈ2Ｏ2→Ｏ2＋２Ｈ+２ｅ-  …(４)
【００７０】
これに対して、アノード側では、電位が低いために上記したような過酸化水素の分解反応は生じにくい。
【００７１】
そのため、カソード側よりもアノード側のほうが、過酸化水素水が多く発生する。したがって、アノード側において、この過酸化水素水による電解質膜１１の酸化劣化が進みやすい。
【００７２】
そこで、本実施形態では、図６に示すように、電解質膜１１と第１補強材１３との接触面積を、電解質膜１１の表裏で異ならせる。具体的には、カソード電極１２ｂと接する側の第１補強材１３と電解質膜１１と接触面積を、アノード電極１２ａと接する側よりも大きくする。
【００７３】
これにより、カソード側からアノード側へ向かって透過する酸素の量を低減することができるので、ＯＣＶ時における電解質膜１１の劣化を抑制することができる。また、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７４】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】単セルの分解斜視図である。
【図３】第１実施形態による図２のIII-III線に沿う方向から見た単セルの断面の一端部を示す図である。
【図４】第２実施形態による単セルの断面の一端部を示す図である。
【図５】第３実施形態による単セルの断面の一端部を示す図である。
【図６】第４実施形態による単セルの断面の一端部を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１１    電解質膜
１２ａ  アノード電極（電極）
１２ｂ  カソード電極（電極）
１３ａ  第１補強材
１３ｂ  第１補強材
１４ａ  第２補強材
１４ｂ  第２補強材
１２１    触媒層
１２２    ガス拡散層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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